Touch driven dexterous robot arm control

par Zhanat Kappassov

Thèse de doctorat en Robotique

Soutenue le 06-03-2017

à Paris 6 , dans le cadre de École doctorale Sciences mécaniques, acoustique, électronique et robotique de Paris , en partenariat avec Institut des Systèmes Intelligents et de Robotique (laboratoire) .

Le président du jury était Agnès Robi-Brami.

Le jury était composé de Kaspar Althoefer, Guillaume Walck.

Les rapporteurs étaient Youcef Mezouar, Jean-Pierre Gazeau.

  • Titre traduit

    Commande de bras de robot dextrose conduit par le toucher


  • Résumé

    Les robots ont amélioré les industries, en particulier les systèmes d'assemblage basé sur des conveyors et ils ont le potentiel pour apporter plus de bénéfices: transports; exploration de zones dangereuses, mer profonde et même d'autres planètes; santé et dans la vie courante.Une barrière majeure pour leur évasion des environnements industriels avec des enceintes vers des environnements partagés avec les humains, c'est leur capacité réduite dans les tâches d’interaction physique, inclue la manipulation d'objets.Tandis que la dextérité de la manipulation n'est pas affectée par la cécité dans les humains, elle décroit énormément pour les robots: ils sont limités à des environnements statiques, mais le monde réel est très changeant. Dans cette thèse, nous proposons une approche différente qui considère le contrôle du contact pendant les interaction physiques entre un robot et l'environnement.Néanmoins, les approches actuelles pour l'interaction physique sont pauvres par rapport au numéro de tâches qu'elles peuvent exécuter. Pour permettre aux robots d'exécuter plus de tâches, nous dérivons des caractéristiques tactiles représentant les déformations de la surface molle d'un capteur tactile et nous incorporons ces caractéristiques dans le contrôleur d'un robot à travers des matrices de mapping tactile basées sur les informations tactiles et sur les tâches à développer.Dans notre première contribution, nous montrons comment les algorithmes de traitement d'images peuvent être utilisés pour découvrir la structure tridimensionnelle subjacente du repère de contact entre un objet et une matrice de capteurs de pression avec une surface molle attachée à l’effecteur d'un bras robotique qui interagit avec cet objet. Ces algorithmes obtiennent comme sorties les soi-disant caractéristiques tactiles. Dans notre deuxième contribution, nous avons conçu un contrôleur qui combine ces caractéristiques tactiles avec un contrôleur position-couple du bras robotique.Il permet à l'effecteur du bras déplacer le repère du contact d'une manière désirée à travers la régulation d'une erreur dans ces caractéristiques. Finalement, dans notre dernière contribution,avec l'addition d'une couche de description des tâches, nous avons étendu ce contrôleur pour adresser quatre problèmes communs dans la robotique: exploration, manipulation, reconnaissance et co-manipulation d'objets.Tout au long de cette thèse, nous avons mis l'accent sur le développement d'algorithmes qui marchent pas simplement avec des robots simulés mais aussi avec de robots réels. De cette manière, toutes ces contributions ont été évaluées avec des expériences faites avec au moins un robot réel. En général, ce travail a comme objectif de fournir à la communauté robotique un cadre unifié qui permet aux bras robotique d'être plus dextres et autonomes. Des travaux préliminaires ont été proposés pour étendre ce cadre au développement de tâches qui impliquent un contrôle multi-contact avec des mains robotiques multi-doigts.


  • Résumé

    Robots have improved industry processes, most recognizably in conveyor-belt assemblysystems, and have the potential to bring even more benefits to our society in transportation,exploration of dangerous zones, deep sea or even other planets, health care and inour everyday life. A major barrier to their escape from fenced industrial areas to environmentsco-shared with humans is their poor skills in physical interaction tasks, includingmanipulation of objects. While the dexterity in manipulation is not affected by the blindnessin humans, it dramatically decreases in robots. With no visual perception, robotoperations are limited to static environments, whereas the real world is a highly variantenvironment.In this thesis, we propose a different approach that considers controlling contact betweena robot and the environment during physical interactions. However, current physicalinteraction control approaches are poor in terms of the range of tasks that can beperformed. To allow robots to perform more tasks, we derive tactile features representingdeformations of the mechanically compliant sensing surface of a tactile sensor andincorporate these features to a robot controller via touch-dependent and task-dependenttactile feature mapping matrices.As a first contribution, we show how image processing algorithms can be used todiscover the underlying three dimensional structure of a contact frame between an objectand an array of pressure sensing elements with a mechanically compliant surfaceattached onto a robot arm’s end-effector interacting with this object. These algorithmsobtain as outputs the so-called tactile features. As a second contribution, we design a tactileservoing controller that combines these tactile features with a position/torque controllerof the robot arm. It allows the end-effector of the arm to steer the contact frame ina desired manner by regulating errors in these features. Finally, as a last contribution, weextend this controller by adding a task description layer to address four common issuesin robotics: exploration, manipulation, recognition, and co-manipulation of objects.Throughout this thesis, we make emphasis on developing algorithms that work notonly with simulated robots but also with real ones. Thus, all these contributions havebeen evaluated in experiments conducted with at least one real robot. In general, thiswork aims to provide the robotics community with a unified framework to that will allowrobot arms to be more dexterous and autonomous. Preliminary works are proposedfor extending this framework to perform tasks that involve multicontact control withmultifingered robot hands.


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